我国工业机器人现状与发展

本刊编辑部

工业机器人是先进制造业中不可替代的重要装备和手段，是衡量制造品质和科技水平的重要标志。在工业发达国家中，工业机器人自动化生产线成套装备己成为自动化装备的主流及未来的发展方向，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸多领域中。

一、背景

先进机器人是集材料、机械、控制、信息、生物、医学等多学科交叉为一体的智能机器。世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。美、日、韩、欧等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展，将机器人产业作为战略产业，纷纷制定各自的机器人国家发展战略规划。

自从20 世纪60 年代初人类制造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出了极强的生命力。经过50 年的迅速发展，随着各应用领域产品加工精度要求的提高，焊接、切割等生产环节逐步由机器人代替手工操作，再加上人们对工作环境要求的提高，高危、有毒等恶劣条件的工作需要由机器人逐步替代，增加了对机器人产品的市场需求。

长期以来，由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平又相对落后，工业机器人的应用受到了很大限制。但是，随着工业机器人价格的不断降低和性能的不断提高，以及人工成本的上涨、工作环境的改变和多元化的市场竞争，各企业面临着重重压力。金融危机以来，依靠传统劳动密集型来维系的生产模式已难以为继；而工业机器人产业是一个快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

从制造业的发展历程看，我国正处于工业化过程中，生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革，工业制成品也将经历数量、质量、柔性低成本的发展阶段，目前制造业普遍需要技术和设备升级改造，以增强竞争力，提高经济效益，因此，我国机器人产业的发展空间很大。

二、发展历程

我国工业机器人研究开始于20 世纪70 年代。由于当时经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平也比较低。1985 年，随着工业发达国家已开始大量应用工业机器人，我国在“七五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，由当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的机器人的攻关，其他各部门也积极立项支持，形成了中国工业机器人第一次高潮。1986 年，我国再次将智能机器人列入了高技术研究发展计划，并成立了专家组，规划和领导机器人先进技术研究与应用工作。

政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863 计划开始，国家一直有计划地组织和发展工业机器人事业。经过“七五”攻关和“八五”、“九五”、国家863 计划支持的应用工程开发，我国第一代工业机器人设计、制造和应用技术已趋于成熟。目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但综合来看，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距。工业机器人制造企业的生产规模一直不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和规模化的发展。

进入上世纪90 年代后，为了实现高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，863 计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针。经过广大科技工作者的辛勤努力，在2001 年举办的863 计划15 年成果展上，863 计划机器主题有58 顶关键技术和应用基础技术研究成果达到国际先进水平，先后获得国家科技进步奖2l 项，省部级科技进步奖116 项，发明专利38 项，实用新型专利125 项，发表学术论文5725篇。开发了7 种工业机器人系列产品，102 种特种机器人，实施了100 余项机器人应用工程。同时为了促进国产机器人的产业化。在20 世纪90 年代末期，我国还建立了9 个机器人产业化基地和7 个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心等。

产业化基地的建设推动了产业化的发展，为形成我国机器人产业奠定了基础。经过广大科技人员的不懈努力，目前我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动引导车等一系列产品，不少品种实现了小批量生产。值得自豪的是，国产自动引导车已经占领了国内大部分市场。进入21 世纪，随着国内机器人需求的迅猛增长及产业结构调整，先后涌现出奇瑞装备、巨一焊接、广州数控、沃迪、青岛软控等数十家从事工业机器人生产的企业，形成了我国工业机器人发展的新局面。

理论研究是工业机器人研制和应用的基础，关键元器件则是事关产业化成败与否的首要因素。在机器人技术基础方面，我国开展了工业机器人运动学、动力学与构型综合、机器人运动控制算法及机器人编程语言、机器人传感器、多传感器控制系统、离线编程技术、自诊断、安全保护技术等方面的研究与开发，基本掌握了工业机器人的关键技术。在机器人单元技术和基础元器件研究开发方面，我国研制出了交、直流伺服系统电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等，并涌现了一批具有较强实力的专业厂家。

总之，经过20 多年的发展，我国在工业机器人基础研究、关键元器件开发、机器人整机设计、周边设备开发以及工业机器人应用等方面取得了不少令人鼓舞的成绩，形成了一支有相当战斗力的队伍；但是与国外著名机器人厂家相比，国内企业在整体实力、品牌知名度、产品结构、产品性能、售后服务等方面尚存在不小差距。此外，我国拥有的机器人专利数目不多，不少关键元器件至今尚不能自主生产或者性能偏低等，这已经开始严重影响国产工业机器人做大做强的步伐。

三、核心技术突破

在“十五”、“十一五”攻关计划和863 计划等科技计划的支持下，我国有组织、有计划地发展工业机器人产业，通过研制、生产、应用等多个层面的不断探索，在技术攻关和设计水平上有了长足的进步。总的来看，已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术，能够生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术，工业机器人控制技术，驱动系统的硬件设计技术，机器人软件的设计和编程技术、运动学和轨迹规划技术，弧焊、点焊及大型机器人自动生产线(工作站)与周边配套设备的开发和制备技术等，某些关键技术已达到或接近了国际先进水平，中国工业机器人在世界工业机器人领域已占有一席之地。

新一代工业机器人的核心技术主要包括：

（1）模块化、可重构的工业机器人新型操作机构设计；

（2）柔性、高加速度、大负载的工业机器人动态设计与优化；

（3）基于实时系统和高速通讯总线的高性能开放式控制系统；

（4）高性能工业机器人运动规划和伺服控制方法；

（5）基于三维虚拟仿真和工业以太网的工业机器人成线技术；

（6）工业机器人关键部件批量制造专用化及性能测试标准化；

（7）非结构化工业现场的工业机器人局部自主与智能决策；

（8）基于外部传感技术的工业机器人运动控制技术；

（9）工业机器人故障远程诊断与修复技术；

（10）工业机器人与成套装备协调作业技术。

近十年，工业机器人研发所取得的主要成绩可以总结为：

（1）基础理论研究方面

较深入地开展了机器人运动学、动力学与构型研究，机器人运动控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内、外部传感器的研究与开发，多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断、安全保护技术等方面有所突破，基本掌握了工业机器人所需的基础理论。

（2）关键零部件的研发方面

在机器人单元技术和基础元器件研究开发方面取得了一些成绩，我国研制出了交、直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等，并涌现出了一批具有较强实力的专业厂家。但就总体而言，我国机器人关键零部件的研发与制造能力还比较薄弱、技术水平较低、性能质量不高，是目前制约我国工业机器人发展的主要瓶颈。

（3）系统设计与控制技术方面

基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了多项控制、驱动、传感系统的关键技术。我国已经能够设计和生产包括直角坐标式、平面多关节型、空间多关节型等各类构型工业机器人，不少机器人拥有自主知识产权。在机器人控制装置研制方面，我国已经开发出了双CPU、多CPU 和分级分层控制装置、模块化机器人控制器及相应控制单元等。但在开放式、模块化、网络化的软伺服和全数字控制器开发方面与国际先进水平仍有差距。

（4）行业技术开发与应用方面

目前取得较大进展的行业领域包括数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术等。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸、装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品，已经逐步走向实用。

同全球主要机器人大国相比，目前我国机器人技术仍存在较大差距，真正大规模进入商用仅是在近几年。尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少，特别是在制造工艺与装备方面，高精密、高速与高效的关键部件仍依赖进口。为了更好地参与未来的国际竞争，需要集中力量在亟待掌握的多项核心技术方面继续加大投入和研发力度，以期尽快实现突破。

四、未来发展

我国作为世界公认的制造业大国，随着制造水平的不断提高以及劳动力成本的不断增加，经济发展模式必将进行调整，发展高科技产业、实现生产自动化成为必由之路。国务院在相关决定中指出：“发展战略性新型产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略”，包括“高端装备制造产业”、“新材料产业”等。工业机器人行业作为高端装备制造产业的重要组成部分，必将在此期间得到更多的政策扶持，实现进一步增长。

在前沿技术发展方面，智能机器人技术是多学科交叉最复杂、最具挑战性的技术领域之一，根据国外技术发展规律以及国内工业基础与应用现状，一方面从国家经济与安全战略需求的角度，需要加大工程化产品与应用示范；其次从工业应用环境与工艺需求出发，大力发展机器人集成应用，与此同时应该注重核心部件攻关与成套应用示范；另外，瞄准世界前沿发展趋势，研发高端科技集成平台，注重未来战略性新兴产业的培育，抢占世界科技的制高点。

在技术研发体制创新方面，围绕智能机器人产业化的发展，应该进一步突出企业投入为主体，产学研联合为技术支撑，积极探索商务模式的创新、市场融资、保险支持等发展。

在组织实施方面，国家应注重把研究任务落实到确有优势的单位和团队，集中优势力量组织研究队伍，特别是领军带头人，形成若干具有特色的技术平台和研发基地。

在项目管理方面，落实责任，引入竞争，滚动支持。采取定期、不定期、集中和现场检查等多种方式加强课题的过程管理，及时发现和纠正问题。引入竞争机制，采取前期支持与滚动支持结合的管理方式，实行优胜劣汰、动态管理的研究队伍，保证项目如期高质量完成。

尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人产品，我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人；同时转变现有机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人产业基地；其次，在国家的科技发展规划中，继续对工业机器人的研究开发和关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面；最后，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。

科学技术部.这十年——先进制造领域科技发展报告.北京:科学技术文献出版社,2012.